用于機動車的混合軸的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種混合軸、尤其是用于車輛的混合軸，為了傳遞轉(zhuǎn)矩，該混合軸具有由金屬制成的空心軸，所述空心軸在至少一個增強區(qū)段中包括至少一個施加到空心軸的外表面上的由纖維增強塑料制成的增強層，并且所述空心軸在所述至少一個增強區(qū)段內(nèi)包括在空心軸的縱向方向上變化的外徑。
【專利說明】用于機動車的混合軸

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種按照權(quán)利要求1的前序部分的混合軸、尤其是用于車輛的混合驅(qū)動軸，用于傳遞轉(zhuǎn)矩。

【背景技術(shù)】
[0002]在機動車中，驅(qū)動軸例如用于傳遞驅(qū)動單元的驅(qū)動力矩到后軸傳動裝置。驅(qū)動軸為此必須一方面具有足夠的強度和耐久性以及確保驅(qū)動軸的各端部之間的幾何平衡，該驅(qū)動軸在一側(cè)與驅(qū)動單元或變速器復(fù)合裝置相連并且在另一側(cè)與后軸傳動裝置相連，它們分別是有彈性的并且從而可彼此相對運動地支承。
[0003]附加地如此設(shè)計驅(qū)動軸，使得該驅(qū)動軸經(jīng)受每分鐘達8000轉(zhuǎn)的高運行轉(zhuǎn)速時(針對轎車)在其固有頻率的臨界范圍內(nèi)不會引起振動。對此驅(qū)動軸必須具有足夠的剛度，使得其固有頻率大于由于運行轉(zhuǎn)速而可能弓I起的振動。
[0004]因此通常使用由鋼制成的驅(qū)動軸，為了達到足夠的剛度和達到所需的固有頻率的最佳設(shè)計，該驅(qū)動軸設(shè)計為兩件式的。這意味著，在兩個軸部分之間設(shè)置連接鉸鏈及用于將兩個軸部分固定和支承在車身上的中間軸承，由此產(chǎn)生在重量上的缺點和對車身的附加的剛度要求。與之相反，由于所需的整個軸長度約為1.5m至2m，通常一體式的解決方案是不可能的。
[0005]因此由現(xiàn)有技術(shù)已知所謂的混合軸。該混合軸包括圓柱形的鋼軸或鋁軸，在該鋼軸或鋁軸的長度上覆蓋纖維增強塑料。該實施方案允許一體式的構(gòu)造形式，從而不利的中間軸承可以被省略。混合管在此集纖維增強塑料的高彎曲剛度、小重量和鋼的有利制造性、良好扭轉(zhuǎn)強度于一體，從而避免軸的撓曲并且盡管如此仍可以傳遞高扭矩。
[0006]例如US6336986B1示出一種混合軸，該混合軸具有圓柱形的金屬管和在金屬管上施加的由纖維復(fù)合材料制成的層，此外，該纖維復(fù)合材料是被覆層的。
[0007]DE102007036436A1也描述一種混合軸，該混合軸具有由金屬制成的空心軸和由碳纖維制成的層，這些碳纖維單向地平行于空心軸縱向方向地設(shè)置。
[0008]在這兩種情況下，金屬管沿著其縱向長度具有相同的橫截面或者說直徑。
[0009]對于這兩種驅(qū)動軸不利的是兩方面的所需的折衷:一方面，由于通常情況下非常有限的結(jié)構(gòu)空間而需要盡可能小的直徑，該結(jié)構(gòu)空間特別在車輛底部的區(qū)域內(nèi)由于許多其他車輛組件可能是局部非常有限的；另一方面，驅(qū)動軸對于增加軸的固有頻率所需的盡可能大的直徑，該固有頻率盡可能地超過通常出現(xiàn)的激勵頻率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]因此本發(fā)明的任務(wù)在于，提出一種混合軸，該混合軸在小自重的情況下具有高剛度，同時設(shè)計為節(jié)省結(jié)構(gòu)空間的，并且盡管如此在其固有頻率方面優(yōu)化設(shè)計。
[0011]該任務(wù)借助按照權(quán)利要求1的混合軸解決。有利的實施形式由從屬權(quán)利要求得出。
[0012]因此提出一種混合軸、尤其是用于車輛的混合驅(qū)動軸，為了傳遞轉(zhuǎn)矩，該混合軸具有由金屬制成的空心軸，該空心軸在至少一個增強區(qū)段中具有至少一個施加在空心軸的外表面的由纖維增強塑料制成的增強層。此外，在所述至少一個增強區(qū)段之內(nèi)，該空心軸包括在空心軸的縱向方向上變化的外徑。
[0013]混合軸的混合結(jié)構(gòu)一方面允許在實現(xiàn)高剛度的同時顯著地降低重量。這提供了這樣的可能性:混合軸相對于純鋼軸設(shè)計得明顯更長，在轎車中因而通常是一體式的。取代具有足夠彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的厚壁的金屬管，在混合軸中可以使用相對薄壁的金屬管，該薄壁的金屬管對于傳遞由于需要傳遞轉(zhuǎn)矩而產(chǎn)生的扭力是足夠地設(shè)計的。然而，足夠的彎曲剛度對于空心軸本身來說不是必要的，而是通過纖維增強塑料制成的增強層提供。因此，重的金屬部分(空心軸)可以設(shè)計得比在純金屬的驅(qū)動軸時更小并且因此明顯更輕。作為金屬，例如使用鋼、鋁或其他合適的金屬材料。合適的增強纖維例如包括碳纖維、玻璃纖維、石墨纖維和/或尼龍纖維。此外由于混合結(jié)構(gòu)，可以使得相對昂貴的纖維復(fù)合材料的材料費用較低并且從而使得制造成本比純纖維復(fù)合軸低。所述增強區(qū)段可以完全或僅在一個或多個分區(qū)段中施加到混合軸的外表面上。
[0014]在混合軸或空心軸的縱向方向上變化的橫截面可以理解為變化的直徑。該方案例如可以包括在縱向方向上形成階梯的橫截面變化或在縱向方向上無級的連續(xù)的橫截面變化。尤其是在縱向方向上彼此相繼的多個橫截面變化是可能的。
[0015]下面借助混合軸的多個圓形橫截面和不同大小的各個外徑進行描述。當(dāng)然，對于空心軸，其他適合的橫截面形狀也是可能的。所選的術(shù)語“直徑”在這種情況下在類似應(yīng)用中可以相應(yīng)地理解。
[0016]此外，外徑沿著空心軸的縱向延伸長度的變化實現(xiàn)適應(yīng)由結(jié)構(gòu)空間決定的實際情況、尤其是局部的狹窄部位。尤其是在機動車中，這樣設(shè)計的驅(qū)動軸通常在汽車底盤的區(qū)域延伸，在該汽車底盤內(nèi)附加地設(shè)置許多其它車輛部件，由此如已經(jīng)說明的，限制可用的結(jié)構(gòu)空間。因此，所述的混合軸可以設(shè)計為:其橫截面在特別窄的位置上減小。為此，當(dāng)然要這樣選擇所述減小的小橫截面，使得傳遞預(yù)期的最大轉(zhuǎn)矩仍是可能的。
[0017]另一方面，提出的構(gòu)造形式以有利方式允許在具有更寬敞的空間的位置上提供局部更大的橫截面。這實現(xiàn)了為整個混合軸提供改進的彎曲剛度以及有針對性地適配整個混合軸的固有頻率。因此，可以提供比已知的混合軸明顯更剛性的軸是可能的，該已知的混合軸僅包括具有恒定外徑的連續(xù)的空心軸。
[0018]按照一種實施形式，空心軸在所述至少一個增強區(qū)段內(nèi)包括具有第一外徑的第一區(qū)段和具有第二外徑的第二區(qū)段，其中，第一外徑與第二外徑是不相等的，并且第一區(qū)段和第二區(qū)段通過過渡區(qū)段相連。
[0019]因此，第一外徑可以大于或小于第二外徑。下面第一外徑應(yīng)大于第二外徑。然而，在此僅為示例性所選的定義，相反的情況也是可能的。對第一區(qū)段或者第一外徑的相應(yīng)的稱呼以及第二區(qū)段或者第二外徑的相應(yīng)的稱呼在這種情況下可以相應(yīng)地交換。
[0020]空心軸在最簡單的情況下例如可以包括兩個圓柱形區(qū)段，這兩個圓柱形區(qū)段通過過渡區(qū)段相連。當(dāng)然，也可以設(shè)置多個第一區(qū)段和第二區(qū)段，這些區(qū)段分別通過各自的過渡區(qū)段相連并且相對于相鄰的區(qū)段分別具有不同直徑。
[0021]可以這樣構(gòu)造過渡區(qū)段，使得過渡區(qū)段的外周面具有到較小的第二區(qū)段的外周面的連續(xù)彎曲的過渡。
[0022]該過渡由結(jié)構(gòu)決定地具有在空心軸的縱向方向上延伸的具有鈍外角、S卩外角大于90°且小于180°的輪廓曲線。將共同的增強層施加到兩個周面，隱藏著夾入空氣的危險、或者甚至增強層從整個空心軸表面脫離的危險，特別在過渡區(qū)域內(nèi)由于所述的鈍角。此外，由纖維增強塑料制成的增強層的一定的固有剛度起決定性的作用，由此，增強層不能以任意方式成型貼緊和可靠地施加到空心軸的多維彎曲的周面形狀上。產(chǎn)生脫離的結(jié)果是削弱增強效果并且從而局部削弱整個混合軸。
[0023]因此，由于所提出的連續(xù)彎曲的造型，特別是在過渡區(qū)段的周面和空心軸的第二區(qū)段的周面之間的所述連續(xù)彎曲的過渡允許以有利的方式可靠地施加由纖維增強塑料制成的增強層。特別是通過這種方式也允許在彎曲范圍內(nèi)將增強層貼靠在空心軸的外表面上并且連續(xù)地和可靠地增強空心軸。
[0024]根據(jù)另一實施形式，所述連續(xù)彎曲的過渡包括具有凹曲率半徑的雙曲線過渡。
[0025]作為雙曲線過渡尤其是可以理解為雙曲面形狀，該雙曲面形狀也被稱為鞍形并且具有負曲率。換言之，至少在空心軸的過渡區(qū)段和第二區(qū)段之間的過渡構(gòu)造為旋轉(zhuǎn)雙曲面。下面在各圖中描述示例性的示圖。
[0026]具有較大直徑的第一區(qū)段和過渡區(qū)域之間的過渡由于相關(guān)輪廓外形的外角大于180°而被認為是不那么關(guān)鍵的，并且因此可以設(shè)計為不連續(xù)的或也具有連續(xù)的曲率(具有反向的曲率)。
[0027]所述增強層例如包括纏繞空心軸的纖維束。該纖維束、所謂的粗紗，在此通過纏繞而施加到空心軸上。借助纖維束構(gòu)造增強層的方法是已知的，所以沒有進一步地描述。
[0028]根據(jù)一個實施形式，所述纖維束相對于空心軸的縱向方向以10°至20°、優(yōu)選10°至15°的纏繞角定向。因為增強層不必傳遞轉(zhuǎn)矩，纖維束的纏繞角可以保持小的或平緩的。這樣的平緩纏繞角一方面有利地影響混合軸的盡可能高的彎曲剛度，并且附加地引起纖維束與更大或更陡的纏繞角相比以更大的彎曲半徑繞著軸彎曲。這尤其是在過渡區(qū)域的范圍內(nèi)、然而特別是在過渡區(qū)域和空心軸的較小的第二區(qū)段之間的過渡是有意義的，從而由此減少或者甚至防止纖維或增強層從空心軸脫離。
[0029]因此纖維束的如此平緩的纏繞角和雙曲線過渡的組合特別有利。作為幾何形狀的旋轉(zhuǎn)雙曲面在繞著縱軸線扭轉(zhuǎn)時可以由相互平行構(gòu)造的桿構(gòu)成，這可以以類似方式應(yīng)用到纖維束上。這些纖維束也相互平行定向地設(shè)置并且以相對于空心軸縱軸線平緩的纏繞角轉(zhuǎn)動，使得纖維束也構(gòu)成雙曲面形物體(相應(yīng)于增強層)。說得非常清楚，該雙曲面形物體施加到空心軸的同樣雙曲線的過渡上。這提供如下優(yōu)點，纖維束由于其布置和相互轉(zhuǎn)動(纏繞角)已經(jīng)基本上遵循周面的類似的雙曲線輪廓并且通過這種方式僅以微小或最小程度在其自身的縱向延伸長度上彎曲。
[0030]總之，導(dǎo)致面狀地并且同時可靠地貼靠在空心軸上，即使在過渡區(qū)域內(nèi)或到空心軸的較小的第二區(qū)段的過渡中也是如此。因而可以避免增強層的脫離，并且盡管在縱向方向上變化的直徑，混合軸仍可靠地通過增強層尤其是在這些區(qū)域內(nèi)增強。
[0031]根據(jù)一個示例性實施形式，混合軸可以包括具有第一區(qū)段和第二區(qū)段的空心軸，其中，第一區(qū)段具有約為75mm的外徑并且第二區(qū)段具有約為70mm的直徑。
[0032]過渡區(qū)域例如也具有5cm至1cm的長度。
[0033]根據(jù)一個實施形式，所述凹曲率半徑具有0.Sm至1.2m之間的值。
[0034]此外，混合軸包括用于在空心軸的縱向方向上吸收變形能的至少一個碰撞元件。所述碰撞元件例如構(gòu)造為所謂的套疊元件，使得如果定義的力在空心軸的縱向方向上起作用，例如在碰撞、尤其是正面碰撞的情況下，空心軸的具有較小直徑的第一部分可以套疊到具有較大直徑的另一部分中。相對于純纖維復(fù)合軸，可以借助提出的混合軸基于由金屬制成的空心軸設(shè)置碰撞能力。
[0035]此外，所述混合軸在其兩個端部中的至少一個上還可以包括附件、如鉸鏈、凸緣、滑動件或者類似物，用于傳遞轉(zhuǎn)矩地連接混合軸或平衡板。這些附件優(yōu)選與金屬空心軸材料鎖合地相連，尤其是焊接或膠接。為此如此構(gòu)造空心軸，使得空心軸的一個或兩個端部不被增強層覆蓋，即不被纏繞的，而是穿過增強層伸出去，從而以簡單方式與相應(yīng)附件相連是可能的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]下面參照附圖根據(jù)實施例來說明本發(fā)明。其中:
[0037]圖1是按照本發(fā)明的混合軸的剖視圖，
[0038]圖2是圖1的第一局部圖A，
[0039]圖3是圖1的第二局部圖B。

【具體實施方式】
[0040]圖1以外部視圖示出混合軸10的上半部分并且以縱向剖視圖示出混合軸的下半部分?；旌陷S10例如可以是用于車輛(未示出)的混合軸。為此，所述混合軸包括用于傳遞轉(zhuǎn)矩的由金屬制成的空心軸11，所述空心軸11包括多個圓柱形管狀區(qū)段，其中有第一區(qū)段13、第二區(qū)段15及第三區(qū)段16。這些區(qū)段分別通過過渡區(qū)段14a、14b與各自相鄰的區(qū)段相連并且分別具有不同的直徑C^dyd3，使得空心軸11具有在空心軸的縱向方向上變化的外徑。區(qū)段13和15以及連接這兩個區(qū)段13、15的過渡區(qū)段14a通過由纖維增強塑料制成的長度為Iv的共同的增強區(qū)段12纏繞。在此，區(qū)段13具有較大的直徑Cl1，而區(qū)段15具有較小直徑d2。
[0041]這些區(qū)段可以如此設(shè)置，使得它們適應(yīng)于車輛的可用的結(jié)構(gòu)空間并且最佳地利用該結(jié)構(gòu)空間，以便盡管空間狀況窄小，仍能夠提供盡可能高的剛度。
[0042]附加地并且僅作為選選地，混合軸10可以在其對置的兩個端部上分別包括一個附件例如長度補償裝置17和/或凸緣18?？蛇x地也可以將平衡板19固定在混合軸10上。
[0043]還如在圖1中表明的，混合軸10可以包括分別具有各自直徑的多個區(qū)段。示例性地但決不是限制性地可以理解，增強區(qū)段僅設(shè)置在兩個區(qū)段13和15中以及過渡區(qū)段14a中。另外可能的是，設(shè)置共同的增強區(qū)段，該增強區(qū)段也環(huán)繞其他各區(qū)段中的一個或多個。
[0044]如圖2的局部圖A(見圖1)中根據(jù)空心軸11在混合軸的縱向方向上的輪廓外形所描述的，過渡區(qū)段具有長度Iu并且如此構(gòu)造，使得過渡區(qū)段14a的外周面具有到較小的第二區(qū)段15的外周面的連續(xù)彎曲的過渡14c。所述連續(xù)彎曲的過渡14c構(gòu)造為具有凹曲率半徑rl的雙曲線過渡。
[0045]這種方式與增強層12的纖維束的平緩的纏繞角相結(jié)合允許盡可能優(yōu)化地和面狀地貼靠在空心軸(區(qū)段13、15、14a)上的增強層12。通過這種方式，根據(jù)圖3中的局部圖B(參看圖1)可以針對尤其是在過渡區(qū)段14a到較小的第二區(qū)段15的過渡區(qū)域內(nèi)增強層12的空氣夾入和剝離。
[0046]根據(jù)一個示例性的實施形式，直徑Cl1約為75mm，直徑d2約為70mm，過渡區(qū)段的長度Iu處于50mm和10mm之間，曲率半徑rl處于800mm和1200mm之間、尤其是約為1000mm。
【權(quán)利要求】
1.混合軸(10)，尤其是用于車輛的混合軸，為了傳遞轉(zhuǎn)矩，該混合軸包括由金屬制成的空心軸(11)，所述空心軸(11)在至少一個增強區(qū)段中包括至少一個施加到空心軸(11)的外表面上的由纖維增強塑料制成的增強層(12)，其特征在于，所述空心軸(11)在所述至少一個增強區(qū)段內(nèi)具有在空心軸(11)的縱向方向上變化的外徑(dpcg。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合軸，其特征在于，所述空心軸(11)在所述至少一個增強區(qū)段內(nèi)包括具有第一外徑(Cl1)的第一區(qū)段(13)和具有第二外徑(d2)的第二區(qū)段(15)，其中，第一外徑(Cl1)大于第二外徑(d2)，并且第一區(qū)段(13)和第二區(qū)段(15)通過過渡區(qū)段(14a)相互連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混合軸，其特征在于，所述過渡區(qū)段(14a)構(gòu)造成，使得所述過渡區(qū)段(14a)的外周面到較小的第二區(qū)段(15)的外周面具有連續(xù)彎曲的過渡(14c)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的混合軸，其特征在于，所述連續(xù)彎曲的過渡(14c)包括具有凹曲率半徑(rl)的雙曲線過渡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述混合軸，其特征在于，所述增強層(12)包括纏繞空心軸(11)的纖維束。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的所述混合軸，其特征在于，所述纖維束具有相對于空心軸(11)的縱向方向成10°至20°、優(yōu)選10°至15°的纏繞角。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合軸，其特征在于，所述過渡區(qū)域(14a)具有5cm至1cm的長度(U。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的混合軸，其特征在于，所述凹曲率半徑(rl)的值處于0.Sm和1.2m之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合軸，其特征在于，所述混合軸(10)包括用于在所述空心軸(10)的縱向方向上吸收變形能的至少一個碰撞元件(20)。
【文檔編號】F16C3/02GK104334896SQ201380027770
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月28日
【發(fā)明者】J·霍夫施泰特爾, J·明茨拉夫, F·施耐德, W·施特賴因茨 申請人:寶馬股份公司